楊培云

(廈門合立道工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 福建廈門 361006)

0 引言

《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50084-2017)(以下簡稱“噴規(guī)”)[1]調(diào)整了高大空間場所自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)(以下簡稱“噴淋系統(tǒng)”)的噴水強(qiáng)度、作用面積和噴頭流量系數(shù)的相關(guān)規(guī)定,同時(shí)將管道沿程阻力損失的計(jì)算公式由舍維列夫公式調(diào)整為海澄威廉公式。本文以酒店宴會(huì)廳為例，依據(jù)逐點(diǎn)精確水力計(jì)算的結(jié)果，深入分析這些調(diào)整所引發(fā)的變化。

1 計(jì)算樣本

1.1 計(jì)算簡圖

酒店宴會(huì)廳作為舉辦招待會(huì)、宴會(huì)、舞會(huì)等場所，其平面尺寸通常不小于40m×20m，凈高一般在8m～12m之間。本文選取的宴會(huì)廳，平面尺寸為42m×24m，凈高10m，屬于高大空間場所。噴頭間距為2.4m×2.4m，均為下噴，噴頭流量系數(shù)為K=115，短立管長度為0.6m，管材為熱鍍鋅鋼管。最不利點(diǎn)作用面積161.28m2，計(jì)算噴頭數(shù)28只，計(jì)算簡圖如圖1所示。

圖1 計(jì)算簡圖(2.4m×2.4m)

1.2 計(jì)算方法

采用的計(jì)算方法共分3步：首先，計(jì)算最不利點(diǎn)處作用面積內(nèi)任意4只噴頭圍合范圍內(nèi)的平均噴水強(qiáng)度(以下簡稱“最小噴強(qiáng)”)是否滿足規(guī)范要求；其次，計(jì)算作用面積內(nèi)的平均噴水強(qiáng)度(以下簡稱“平均噴強(qiáng)”)是否滿足規(guī)范要求；最后，復(fù)核最不利點(diǎn)處噴頭的工作壓力(以下簡稱“噴頭壓力”)是否滿足規(guī)范要求。滿足上述3點(diǎn)，可視為滿足規(guī)范最低要求。

1.3 計(jì)算參數(shù)和結(jié)果

噴淋系統(tǒng)的水力計(jì)算結(jié)果受較多參數(shù)影響，通過調(diào)整一個(gè)參數(shù)并保留其余參數(shù)不變的方式，便于分析每個(gè)參數(shù)對計(jì)算結(jié)果的影響。按表1所示逐個(gè)調(diào)整參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，滿足規(guī)范最低要求的計(jì)算結(jié)果匯總詳表2。

表1 調(diào)整參數(shù)表

表2 不同參數(shù)計(jì)算匯總表

注：表2中入口流量指圖1中G44管段流量，即作用面積內(nèi)噴頭同時(shí)噴水的總流量；入口壓力指作用面積入口處J45節(jié)點(diǎn)壓力。

2 計(jì)算分析

2.1 海澄威廉系數(shù)

“噴規(guī)”表9.2.2中鍍鋅鋼管的海澄威廉系數(shù)為120，而此條的條文解釋中公式(7)卻按100取值[1]，有些前后矛盾。《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱“建水規(guī)”)第3.6.10條中普通鋼管取值為100[2]。海澄威廉系數(shù)取值的差異，主要考慮的是管道內(nèi)的水體是否經(jīng)常流動(dòng)。當(dāng)水體流動(dòng)時(shí)，水中摻雜的空氣會(huì)加速鍍鋅鋼管的腐蝕，故給水系統(tǒng)按100，消防系統(tǒng)按120。這種差異在NFPA中的表述是“用于干式和預(yù)作用系統(tǒng)的鍍鋅鋼管海澄威廉系數(shù)為100，濕式和雨淋系統(tǒng)為120[3]”。

海澄威廉系數(shù)與管材的粗糙度有關(guān)，其取值為120時(shí)，在NFPA中建議的當(dāng)量粗糙度為0.1mm[3]，而在國內(nèi)規(guī)范中新鍍鋅鋼管一般為0.15mm。兩值的差異與鍍鋅工藝有關(guān)，美國為冷鍍，中國為熱鍍。若當(dāng)量粗糙度按0.15mm考慮，則海澄威廉系數(shù)取值為110計(jì)算誤差更小。而且，受國內(nèi)目前的管道產(chǎn)品質(zhì)量、施工質(zhì)量和消防系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)狀況等因素所限，“噴淋系統(tǒng)”銹蝕現(xiàn)象較為普遍，海澄威廉系數(shù)似乎按110取值更符合實(shí)際情況(計(jì)算值見序號(hào)2)。

2.2 短立管

短立管是指“連接灑水噴頭和配水支管的立管”[1]，無論其向上還是向下，都是客觀存在的。序號(hào)3的計(jì)算結(jié)果顯示上噴和下噴的流量差異較小，兩者的壓力差異主要是噴頭安裝的豎向高差導(dǎo)致；但如果不考慮短立管時(shí)，計(jì)算值準(zhǔn)確性較差(序號(hào)4)。

短立管的計(jì)算一共包含4部分內(nèi)容，分別是配水支管接短立管處三通側(cè)向流的當(dāng)量長度、短立管接噴頭的異徑接頭當(dāng)量長度、短立管沿程損失和短立管豎向高差。計(jì)算中加入短立管水頭損失后，布水更均勻，計(jì)算流量更合理。

2.3 入口壓力

當(dāng)“噴頭壓力”為50kPa時(shí)，入口流量為43.61L/s(序號(hào)1)；當(dāng)“噴頭壓力”增加為100kPa時(shí)，入口流量為61.33L/s(序號(hào)5)；當(dāng)入口壓力增加為300kPa時(shí)，入口流量為(序號(hào)6)。入口壓力增加導(dǎo)致流量顯著增加的主要原因是海澄威廉公式計(jì)算值比舍維列夫公式小很多，入口壓力大部分轉(zhuǎn)化為噴頭的工作壓力。

入口壓力(J45節(jié)點(diǎn)壓力)并不等于減壓孔板下游壓力，兩者之間相差一段配水管的水頭損失。不同項(xiàng)目中這段管道的長度不一樣，無法一概而論。本文中的管長按40m、管徑為DN125，不同噴頭間距的計(jì)算結(jié)果見表3所示。從表3可以看出，當(dāng)減壓孔板下游壓力按規(guī)范值400kPa時(shí)，噴水強(qiáng)度均大于規(guī)范值較多，故建議將減壓孔板下游壓力控制在250kPa～300kPa之間，此時(shí)入口流量不至于過大。

表3 不同噴頭間距限定入口壓力計(jì)算匯總表

2.4 直向流局部水頭損失

直向流局部水頭損失，是指三通或四通配件中直線通過的水流產(chǎn)生的局部水頭損失。“建水規(guī)”附錄D中列出了直向流的當(dāng)量長度，約為轉(zhuǎn)角流的20%[2](此表與《UNIFORM PLUMBING CODE》中的數(shù)值一致)。而“噴規(guī)”和NFPA均未要求計(jì)算直向流損失，其中NFPA中的表述是“三通或四通中水流方向變化時(shí)應(yīng)計(jì)算當(dāng)量長度，直線通過的水流不計(jì)算當(dāng)量長度”[3]。

直向流損失是客觀存在的，不清楚為何中美的消防規(guī)范均未考慮，也許是因?yàn)檫@部分損失并不大，為了簡化水力計(jì)算而省略。是否考慮直向流損失對于流量和壓力均略有影響(序號(hào)7參考“建水規(guī)”附錄D取值)，建議水力計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮這部分損失，這樣的計(jì)算結(jié)果相對而言更偏安全，且更符合實(shí)際情況。

2.5 噴水強(qiáng)度

“噴規(guī)”表5.0.2中民用建筑高大空間場所分為兩類：第一類是中庭、體育館、航站樓等，第二類是影劇院、音樂廳、會(huì)展中心等[1]；第二類與第一類相比，具有軟裝較多，燃燒時(shí)蔓延速度較快，放熱量較大，有害氣體生產(chǎn)量較大，人員相對較難疏散等特點(diǎn)。酒店宴會(huì)廳與第二類場所更接近，故“平均噴強(qiáng)”取值應(yīng)不小于15L/min·m2，按此噴水強(qiáng)度簡單推算系統(tǒng)流量不小于40L/s(15×160/60)。

“噴規(guī)”第9.1.5條規(guī)定中，危險(xiǎn)級(jí)場所的“最小噴強(qiáng)”不應(yīng)低于“平均噴強(qiáng)”的85%，[1]但并未明確高大空間的中危險(xiǎn)級(jí)場所執(zhí)行或不執(zhí)行此條規(guī)定。噴頭水滴的運(yùn)動(dòng)軌跡可視為斜拋運(yùn)動(dòng)，當(dāng)保護(hù)高度越高時(shí)，噴水覆蓋范圍越大，單位面積內(nèi)噴水強(qiáng)度越?。籟4]而且高大空間場所噴水滅火效果取決于初期開放的幾只噴頭的控火效果，加大噴水強(qiáng)度至關(guān)重要[5]，“最小噴強(qiáng)”是否還能按85%折減值得商榷。

毫無疑問，不折減的計(jì)算值肯定大于折減的計(jì)算值。序號(hào)8按“最小噴強(qiáng)”15L/min.m2(不折減)計(jì)算，其入口流量計(jì)算值為序號(hào)1(折減)的1.04倍。隨著噴頭間距的增加，比例不斷增加，當(dāng)噴頭間距增至3m時(shí)，為1.08倍。

3 設(shè)計(jì)建議

3.1 噴頭間距

當(dāng)入口壓力相同時(shí)，噴頭間距越小，流量越大，即超出規(guī)范規(guī)定的噴水強(qiáng)度越多(表3)?！皣娨?guī)”允許噴頭間距在1.8m～3.0m之間取值，[1]工程設(shè)計(jì)時(shí)，建議噴頭間距盡量靠近上限3m設(shè)置，既能節(jié)省管網(wǎng)造價(jià)，也能避免水量過度流失。[6]

3.2 系統(tǒng)流量

系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量建議按50L/s。整棟建筑中宴會(huì)廳一般位于裙房，所需流量較大而壓力不高；客房位于塔樓，所需流量不大而壓力較高。消防水泵的參數(shù)選擇可按宴會(huì)廳處干管流量為設(shè)計(jì)選泵流量的150%時(shí)，宴會(huì)廳處干管壓力不低于設(shè)計(jì)選泵壓力65%[6]。

3.3 配水管道管徑

噴頭間距影響噴頭出流量，繼而影響配水管道管徑。建議噴水支管變徑，既節(jié)省管材也有利于控制流量。管道流速控制≤5m/s相對經(jīng)濟(jì)合理，匯總?cè)绫?所示。

表4 配水支管、配水管控制的擴(kuò)大覆蓋面積灑水噴頭數(shù)量

注：表4中噴頭保護(hù)面積A為噴頭平均縱橫間距的乘積，其可視為評(píng)判噴頭布置密度的指標(biāo)。

4 結(jié)語

宴會(huì)廳等高大空間場所噴水強(qiáng)度較大，噴頭間距對流量的影響較大，以減壓孔板下游壓力400kPa為例，噴頭間距1.8m時(shí)的流量約為噴頭間距3m的1.6倍，故應(yīng)進(jìn)行水力計(jì)算。

水力計(jì)算以現(xiàn)行規(guī)范相關(guān)規(guī)定為準(zhǔn)，條件允許時(shí)，水力計(jì)算應(yīng)包含短立管，直向流當(dāng)量長度和海澄威廉系數(shù)的合理取值。短立管的計(jì)算包括側(cè)向流、異徑接頭、沿程損失和豎向高差；直向流與側(cè)向流的局部水頭損失不同，故當(dāng)量長度不同，計(jì)算中考慮直向流當(dāng)量長度更合理，可參考“建水規(guī)”附錄D取值，但也不能將兩者混為一談，不加區(qū)分會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏大很多；海澄威廉系數(shù)取值與管道粗糙度有關(guān)，建議按110取值，誤差更小。綜合考慮這些因素后，計(jì)算結(jié)果更為安全、合理。

與酒店宴會(huì)廳火災(zāi)危險(xiǎn)性相類似的其他高大空間場所(凈空高度8m～12m)，也可適當(dāng)參考本文的分析和建議。